CN117374158A - 一种基于光诱导掺杂的bc结构太阳能电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：S1：在单面抛光样品背面完成PolySi层的沉积；S2：将硼和磷的化合物混合制备溶液，并涂覆在S1完成PolySi制备的样品表面形成薄膜；S3：使用激光照射涂覆了薄膜的硅基底，诱导薄膜中不同化合物的分解，实现选择性掺杂；S4：双面钝化氧化铝和氮化硅；S5：表面钝化完成后在硅片背面进行P区与N区的金属化，依次在硅片背面印刷银浆电极和银铝浆电极，然后烧结完成电池制备。本发明通过光诱导方法实现硅基底的选择性掺杂，操作简便，低成本，掺杂深度和区域可控，有利于提高半导体太阳能电池等器件的制备效率和性能。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法。
背景技术
为提高光伏发电的比例，降本和提效是光伏制造的两大主线，目前主流的光伏电池为晶体硅太阳能电池，IBC结构解决电池正面栅线遮光问题，提高了面积利用率极大的提升了光伏电池的外观、效率及实用价值，而TOPCon技术由于其工艺路线与传统PERC电池产线极高的兼容性以及其明显的效率增益(目前报道量产效率>25.5％)，成为目前最有潜力的新型高效电池技术之一，两者叠加制备的相关电池产品相继推出。目前主流IBC结构单TOPCon结构电池采用P型衬底，产业化电池转换效率已超过26％。但与HJT电池相比，单TOPCon结构的理论极限依然难以与之媲美，而目前双POLO结构电池诸多报道中所采用的制备方案均无法满足量产的需求，如何在产业化条件下改善制备工艺，实现双POLO IBC电池产业化依然是一大问题。
传统的硅基半导体掺杂技术通常需要高温扩散过程，操作复杂，成本较高。此外，受传统方法限制，掺杂浓度与深度依赖于>900℃的扩散温度，且区域掺杂难以实现。目前结合POLO结构的BC电池已逐步成为行业主流，但受传统高温扩散工艺的限制Poly Si膜层局部扩散的制备工艺流程尤为复杂涉及到多次高温与刻蚀工艺。本发明提出了一种基于不同光敏性的化合物混合材料在不同波长激光条件下同时实现n+Poly与p+Poly掺杂的制备方法，从而极大程度简化了BC结构的制备流程。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法，该方法使用含有硼氢键或硼卤键的极性化合物与含有磷氢键或磷卤键的极性化合物的混合物材料。这些化合物可以被设计成在吸收特定波长的激光后分解，释放出硼或磷来掺杂硅基底。化合物材料可以通过制备方式调整能带结构，特别是调节导带和价带之间的能隙大小，可以影响材料的电子激发和传输，进而实现特定波长光能的吸收。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
S1：在单面抛光样品背面完成Poly Si层的沉积；
作为优选的，步骤S1中，包括如下操作步骤：
S11：双面制绒：以N/P型单晶硅片作为硅衬底，先进行碱/双氧水预清洗，而后进行制绒，形成金字塔的表面结构；
S12：正面织构：采用链氧氧化单面制备氧化层，并将其标记为正面；
S13：背面抛光：酸洗去除背面的氧化层，并在背面形成抛光面；
S14：背面完成Poly Si层的沉积。
作为优选的，步骤S12中，链氧氧化的温度为600℃～800℃。此温度下可以快速形成2～5nm本征SiO2层，可以有效的阻隔碱抛对于正面的影响。
作为优选的，步骤S13中，采用链式氢氟酸去除背面氧化层，再进行碱抛，使得背表面的反射率大于40％。此形貌条件下隧穿氧化层均匀连续，p型与n型POLO结构钝化均可以达到较好的水平。
作为优选的，步骤S14中，采用LPCVD/PECVD/PVD的方式在单晶硅片的背面单面制备隧穿氧化层及本征微晶硅层，其中隧穿氧化层可有效地阻隔本征微晶硅层与硅基底的直接接触，在后续激光照射诱导实现选择性的P型或N型掺杂之后，形成类似于装满电子/空穴的容器，可形成良好的接触。隧穿氧化层的厚度为1～2nm，厚度低于1nm无法形成有效的阻挡势垒，高于2nm较难形成隧穿；本征微晶硅层的厚度为50～150nm。厚度大于等于50nm可形成较好的接触性能，但不能过高，大于150nm会产生更高的寄生吸收导致短路电流密度收集率低。
S2：将硼和磷的化合物混合制备溶液，并涂覆在S1完成Poly Si制备的样品表面形成薄膜，此处涂覆膜层厚度70～200nm，足够的膜厚可以实现足够的光程以满足膜层对于光能量的吸收；
作为优选的，步骤S2中，硼和磷的化合物由含有硼氢键或硼卤键的极性化合物与含有磷氢键或磷卤键的极性化合物按照1～3:1～3的质量比混合制得，混合物按照3％～15％的体积分数溶于乙醇、丙酮等有机溶剂，本申请中有机溶剂易挥发，可以将相关化合物分散为溶液，且在烘干过程中可以自行挥发去除，该浓度的溶液提供了足够的源量以满足扩散需求。
具体的，含有硼氢键或硼卤键的极性化合物包括反式-1,2-二溴-1,2-二苯基乙烯基硼酸酯、哌啶硼酚、十一烷基三苯基硼等化合物；含有磷氢键或磷卤键的极性化合物包括三甲基膦、三苯基膦等化合物，本发明采用极性化合物作为选择性光敏材料控制分解反应，能够在特定波长光的诱导下分解，进而释放出硼或磷来掺杂硅基底。
S3：使用激光照射涂覆了薄膜的硅基底，诱导薄膜中不同化合物的分解，实现选择性的P型或N型掺杂；本发明使用特定波长的激光照射涂覆了混合物材料的硅基底。与化合物匹配的两种激光可以分别诱导混合物中不同化合物的分解，从而在同一Poly Si层实现不同掺杂。激光通过预先绘制图形的方式进行线扫，两种波长的激光分开进行线扫，其线宽均在60～120μm以满足后续金属化流程的对位精度，从而实现量产条件的产能与性能需求，且线扫区域之间存在10～50μm的间隔以保证P区与N区的分隔杜绝漏电问题，在第一种波长(532～1064nm)激光线扫过程中含有硼的极性化合物大量吸收光子能量，在共振效应的作用下，使得化合物中的特定键达到足够的激发级别进而断裂产生硼原子，同时在激光热效应下实现Poly Si的掺杂，而此时含磷的化合物未发生明显反应；在第二种波长(266～532nm)激光线扫过程中，含磷化合物开始反应在Poly Si形成磷掺杂。由于Poly Si中掺杂难度要远远低于晶体硅中，此处采用激光对于功率需求不高，采用纳秒或皮秒短脉宽激光控制Poly损伤同时仅利用光诱导分解机制实现选择性掺杂，规避热分解机制导致的硼磷共掺，含磷化合物与酮亚胺染料、锌卟啉等增敏剂相互作用可以有效增强短波光的吸收所以选择绿光到紫外波段，含硼极性化合物多对长波敏感，因此选择绿光到红外波段，通过控制激光波长和照射区域，可以在硅基底上实现选择性的P型或N型掺杂中，进而形成p+POLO结构和n+POLO结构，即形成PIN的BC电池结构。
S4：在所述单晶硅片的双面钝化氧化铝和氮化硅；
作为优选的，步骤S4中，在硅片双面沉积3～10nm厚度三氧化二铝，并在硅片正面制备75～80nm厚度的氮化硅；在硅片背面沉积70～100nm厚度的氮化硅。
S5：表面钝化完成后在硅片背面进行P区与N区的金属化，用丝网印刷的方式依次在硅片背面印刷银浆电极和银铝浆电极，然后烧结完成电池制备。
一种基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池，采用上述制备方法，所述结构以N型单晶硅片作为基体，正面由内到外依次为：氧化层、AlOx钝化层和SiNx钝化层；背面由内到外依次为隧穿氧化层、n+Poly层、p+Poly层、AlOx钝化层和SiNx钝化层。
本发明的有益效果：
本发明中的化合物能够在特定波长光的影响下发生共振效应，使得硼和磷的化合物中的特定键达到足够的激发级别进而断裂。与现有技术相比，本发明通过光诱导方法实现硅基底的选择性掺杂，操作简便，低成本，掺杂深度和区域可控，有利于提高半导体太阳能电池等器件的制备效率和性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池制备流程图；
图2是本发明实施例中基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的结构示意图。
附图标记：01、基体；11、氧化层；12、AlOx钝化层和SiNx钝化层；21、隧穿氧化层；22、n+Poly层；23、p+Poly层；24、AlOx钝化层和SiNx钝化层。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，对依据本发明提出的一种基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法，其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。
在本发明实施例中，市售材料来源如下：
| 材料组分 | 市售来源地 |
| 单晶硅片 | 隆基绿能科技股份有限公司 |
| KOH | 常州迈恩化工有限公司 |
| H2O2 | 常州迈恩化工有限公司 |
| 抛光剂 | 常州时创能源股份有限公司 |
| SiOx | 佛山市赢创化工有限公司 |
| SiNx | 河北高富氮化硅材料有限公司 |
| AlOx | 理想晶延半导体设备(上海)有限公司 |
| N2 | 上海锦铸化工有限公司 |
| HF | 江苏恒茂化学股份有限公司 |
| 硼和磷的化合物制备原料 | 上海阿拉丁生化科技股份有限公司 |
实施例1
如图1～2所示制备的一种基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池，所述结构以N型单晶硅片作为基体01，正面由内到外依次为：氧化层11、AlOx钝化层和SiNx钝化层12；背面由内到外依次为隧穿氧化层21、n+Poly层22、p+Poly层23、AlOx钝化层和SiNx钝化层24。
选用电阻率范围0.8～1.5ohm.cm，少子寿命>2.5ms的P型单晶硅片，厚度130μm，尺寸为182mm。
S1：在KOH和H2O2混合溶液中去除硅片表面的损伤层，然后在KOH溶液中进行制绒，表面形成金字塔绒面，金字塔绒面大小控制1～5μm。
S2：绒面完成后，正面采用链氧氧化600℃～800℃，采用链式氢氟酸去除背面氧化层，再进行碱抛，使得背表面的反射率大于40％。
S3：背面在LPCVD中单面制备隧穿层(1～2nm)+非晶硅本征沉积(50～350nm)，采用喷墨方式在Poly层上涂覆一层含有氧化硼和磷酸混合物的溶液，然后利用1064nm红外纳秒激光实现硼原子的局部掺杂，掺杂浓度3E19～1E20，方阻100～150Ω/sq，采用532nm的纳秒激光完成磷酸分解及磷元素在Poly Si中的掺杂，掺杂浓度3E20～8E20，方阻60～80Ω/sq，形成PIN结构；
S4：在硅片双面使用ALD沉积3～10nm厚度三氧化二铝，并使用PECVD制备75～80nm厚度的氮化硅；在硅片背面沉积70～100nm厚度的氮化硅，完成电池前驱体制备；
S5：表面钝化完成后在硅片背面进行P区与N区的金属化，用丝网印刷的方式依次在硅片背面印刷银浆电极和银铝浆电极，然后烧结完成电池制备。
实施例2
选用电阻率范围0.8～1.5ohm.cm，少子寿命>2.5ms的P型单晶硅片，厚度150μm，尺寸为182mm。
S1：在KOH和H2O2混合溶液中去除硅片表面的损伤层，然后在KOH溶液中进行制绒，表面形成金字塔绒面，金字塔绒面大小控制1～5μm。
S2：绒面完成后不过HF保留湿法氧化层，采用链式氢氟酸去除背面氧化层，再进行碱抛，使得背表面的反射率大于40％。
S3：背面在LPCVD中单面制备隧穿层(1～2nm)+非晶硅本征沉积(50～350nm)，采用浸涂方式在Poly层上涂覆一层含有硼酸酯和磷酸混合物的溶液，然后利用1064nm红外纳秒激光实现硼原子的局部掺杂，掺杂浓度4E19～8E19，方阻120～180Ω/sq，采用355nm的纳秒激光完成磷酸分解及磷元素在Poly Si中的掺杂掺杂浓度1E20～1E21，方阻70～100Ω/sq，形成PIN结构；
S4：在硅片双面使用ALD沉积3～10nm厚度三氧化二铝，并使用PECVD制备75～80nm厚度的氮化硅；在硅片背面沉积70～100nm厚度的氮化硅，完成电池前驱体制备；
S5：表面钝化完成后在硅片背面进行P区与N区的金属化，用丝网印刷的方式依次在硅片背面印刷银浆电极和银铝浆电极，然后烧结完成电池制备。
对比例1
选用电阻率范围0.8～1.5ohm.cm，少子寿命>2.5ms的P型单晶硅片，厚度130μm，尺寸为182mm。
S1：在KOH和H2O2混合溶液中去除硅片表面的损伤层，然后在KOH溶液中进行制绒，表面形成金字塔绒面，金字塔绒面大小控制1～5μm。
S2：绒面完成后，采用600℃～800℃进行管式氧化，采用链式氢氟酸去除背面氧化层，再进行碱抛，使得背表面的反射率大于40％。
S3：背面在PVD中单面制备隧穿层(1～2nm)+原位掺B非晶硅沉积(50～350nm)，表面沉积SiO2层作为阻挡层；
S4：激光打开SiO2层(线宽200～400μm)，采用碱抛的方式去除开膜区域的POLO结构；
S5：再次采用PVD单面制备隧穿层(1～2nm)+原位掺P非晶硅沉积(50～350nm)，表面沉积SiO2层作为阻挡层；
S6：激光打开掺B区上层SiO2层以及掺B与掺P之间的过度区，采用碱抛的方式去除掺B非晶硅上层的掺P非晶硅，同时在过渡区反刻形成Gap区；
S7：采用800～1000℃高温退火完成掺B与掺P区域非晶硅的晶化，形成局域性的POLO结构；
S8：采用标准RCA完成清洗，在3％HF溶液中去除表面氧化层；
S9：在硅片双面使用ALD沉积3～10nm厚度三氧化二铝，并使用PECVD制备75～80nm厚度的氮化硅；在硅片背面沉积70～100nm厚度的氮化硅，完成电池前驱体制备；
S10：表面钝化完成后在硅片背面进行P区与N区的金属化，用丝网印刷的方式依次在硅片背面印刷银浆电极和银铝浆电极，然后烧结完成电池制备。
电池性能测试结果
由数据对比可知，本申请避免了传统的硅基半导体掺杂技术需要高温扩散的过程，利用不同光敏性的化合物混合材料在不同波长激光条件下同时实现n+Poly与p+Poly掺杂，从而极大程度简化了BC结构的制备流程，且具有与传统技术相同的电性能。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在单面抛光样品背面完成Poly Si层的沉积；
S2：将硼和磷的化合物混合制备溶液，并涂覆在S1完成Poly Si制备的样品表面形成薄膜；
S3：使用激光照射涂覆了薄膜的硅基底，诱导薄膜中不同化合物的分解，实现选择性的P型或N型掺杂；
S4：在所述单晶硅片的双面钝化氧化铝和氮化硅；
S5：表面钝化完成后在硅片背面进行P区与N区的金属化，用丝网印刷的方式依次在硅片背面印刷银浆电极和银铝浆电极，然后烧结完成电池制备。
2.根据权利要求1所述的基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S1中，包括如下操作步骤：
S11：双面制绒：以N/P型单晶硅片作为硅衬底，先进行碱/双氧水预清洗，而后进行制绒，形成金字塔的表面结构；
S12：正面织构：采用链氧氧化单面制备氧化层，并将其标记为正面；
S13：背面抛光：酸洗去除背面的氧化层，并在背面形成抛光面；
S14：背面完成Poly Si层的沉积。
3.根据权利要求1所述的基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S12中，链氧氧化的温度为600℃~800℃。
4.根据权利要求1所述的基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S13中，背表面的反射率大于40%。
5.根据权利要求1所述的基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S14中，背面单面制备隧穿层和非晶硅本征沉积，所述隧穿层的厚度为1~2nm，所述非晶硅本征沉积的厚度为50~150nm。
6.根据权利要求1所述的基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S2中，硼和磷的化合物按照3%~15%的体积分数溶于有机溶剂中混合制得溶液。
7.根据权利要求6所述的基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S2中，硼和磷的化合物由含有硼氢键或硼卤键的极性化合物与含有磷氢键或磷卤键的极性化合物按照1~3:1~3的质量比混合制得。
8.根据权利要求6所述的基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S2中，有机溶剂为乙醇或丙酮。
9.根据权利要求1所述的基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S3中，激光通过预先绘制图形的方式进行线扫，两种波长的激光分开进行线扫，其线宽均在60~120μm，以满足后续金属化流程的对位精度。
10.根据权利要求1所述的基于光诱导掺杂的BC结构太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S4中，在硅片双面沉积3～10nm厚度三氧化二铝，并在硅片正面制备75～80nm厚度的氮化硅；在硅片背面沉积70～100nm厚度的氮化硅。
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